Practica 1 - Página Web del Laboratorio C

UNIVERSIDAD SIMON BOLIVAR
DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA Y CIRCUITOS
CIRCUITOS ELECTRÓNICOS EC1113
PRACTICA Nº 1
MEDICIONES DE CARACTERÍSTICAS DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS
APLICACIÓN DEL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
Objetivos
• Familiarizar al estudiante con el funcionamiento del amplificador operacional conectado en la
configuración amplificador diferencial, estudiando sus respuestas tanto con el programa de
simulación como sobre el circuito real e implementar un circuito sencillo de medición.
• Familiarizar al estudiante con los procedimientos para medir parámetros de los circuitos con
amplificadores operacionales, tales como la ganancia DC, la ganancia AC, el desfasaje entre la
entrada y la salida, el voltaje de “offset”, la Relación de Rechazo en Modo Común (CMRR), y las
impedancias de entrada y de salida, utilizando los instrumentos adecuados.
Preparación
1.- Busque las especificaciones del amplificador operacional con el que va a trabajar en el Laboratorio
y fotocopie los puntos más importantes para tenerlos disponibles durante la realización de la
práctica.
2.- Deduzca la expresión del voltaje de salida para el amplificador diferencial básico cuyo circuito se
muestra en la Figura 1, considerando que el amplificador operacional es ideal, utilizando los
valores indicados por su profesor y alimentándolo con fuentes de ±15V. Indique cuál es la
función principal de este circuito.
Figura 1.- Amplificador diferencial básico
3.- Defina voltaje de "offset" de un amplificador diferencial e indique cómo medirlo.
4.- Defina la relación de rechazo en modo común (CMRR) de un amplificador diferencial e indique
cómo medirla.
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5.- Calcule la impedancia de entrada en DC para cada una de las entradas, considerando que la otra
entrada se encuentra conectada a tierra y que el amplificador operacional presenta características
muy próximas a las ideales.
6.- Haga el diagrama circuital completo del amplificador diferencial con el programa de simulación
utilizando el modelo del 741.
7.- Dibuje el diagrama de cableado del amplificador diferencial básico, tal como lo va a montar en el
protoboard.
8.- Basándose en el diagrama de cableado indique la forma como va a conectar los instrumentos para
medir experimentalmente el voltaje de "offset", la relación de rechazo en modo común, la ganancia
de voltaje para diferentes voltajes DC y las mediciones de la impedancia de entrada en DC para
cada una de las entradas.
9.- Para el circuito mostrado en la Figura 2 (Amplificador diferencial de instrumentación simple),
explique la razón para conectar los seguidores de voltaje a cada una de las entradas del circuito
anterior.
10.- Utilizando el diagrama de cableado del amplificador diferencial básico, incluya los seguidores de
voltaje, tal como los va a montar en su circuito.
Figura 2.- Amplificador diferencial de instrumentación simple
11.- Para el circuito mostrado en la Figura 3(a), el Puente de Wheatstone, explique su principio de
funcionamiento, y deduzca la relación entre Rx y las otras resistencias del circuito cuando el puente
está balanceado.
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(a)
Figura 3.- Puente de Wheatstone
(b)
12.- Para el circuito mostrado en la Figura 3(b), considerando que Rx = 10 kΩ + ΔR, deduzca la
relación de ΔR en función de E0/V. Simplifique la expresión tomando en cuenta que ΔR « 10kΩ.
13.- Indique cómo se conecta el amplificador de instrumentación del punto anterior a la salida del
circuito de la Figura 3(b) para obtener un medidor diferencial y diga cuál es la utilidad de esta
conexión.
NOTA 1: En el laboratorio debe disponer de los archivos de las simulaciones, bien sea impresos
en papel o en archivos que puedan presentarse en la pantalla de su computador, ya que es
necesario comparar los resultados simulados con las señales que se observan en el
osciloscopio.
NOTA 2: Recuerde traer algún dispositivo que le permita guardar la información observada en
el osciloscopio para luego imprimirla y analizarla.
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Grupo Nº ________
Nombre ___________________________
Nombre ___________________________
Fecha ________________
EC1113
Trabajo de Laboratorio
Práctica Nº 1
1.- Recuerde que al entrar al laboratorio tiene que llenar la hoja de asistencia.
2.- Registre los valores nominales y las tolerancias de las resistencias que va a utilizar y mida con el
multímetro digital los valores reales de dichas resistencias.
Componente
R1
R2
R11
R22
Val. nominal y tolerancia
Valor real (multímetro)
3.- Monte el amplificador diferencial. Asegúrese de que las fuentes de alimentación de 15V y –15V
llegan a los pines correspondientes del amplificador.
4.- Inicialmente conecte ambas entradas a 0V (tierra) y mida el voltaje de salida. Si dicho voltaje es
muy pequeño, del orden de los milivoltios, el amplificador operacional está funcionando
correctamente. En caso contrario, está dañado y debe cambiarlo por otro. Registre los datos para
determinar el voltaje de "offset".
Voltaje salida para V1 = V2 = 0
Voltaje de “offset” para el amplificador diferencial
5.- Haga una primera prueba de funcionamiento del amplificador diferencial, colocando una señal DC
de 1V en la entrada no inversora y conectando la entrada inversora a tierra. Mida el voltaje de
salida y compruebe la ganancia del amplificador diferencial. Aumente ahora el voltaje de la señal
de entrada a 2V. Mida el voltaje de salida y compruebe que el amplificador está saturado.
6.- Determine la Relación de Rechazo en Modo Común (CMRR) del amplificador diferencial
mediante las mediciones indicadas en la siguiente tabla:
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Voltaje salida para V1 = V2 = 1V
Ganancia en modo común ACM
Voltaje salida para V1 =0; V2 = 1V
Ganancia1 en modo diferencial Ad1
Voltaje salida para V1 =1; V2 = 0V
Ganancia2 en modo diferencial Ad2
Ganancia modo diferencial prom. Ad
Relación Ad1 / ACM
CMRR = 20 log Ad1 / ACM
7.-Monte el circuito de la Figura 4 para medir la resistencia de entrada en la entrada inversora del
amplificador diferencial cuando la entrada no inversora está conectada a tierra. Mida previamente
el valor real de Rp con el multímetro.
Figura 4.- Medición de la resistencia de entrada de la entrada inversora del amplificador diferencial
8.-Realice las mediciones del voltaje de la fuente de entrada VDC y de la corriente que circula por
dicha fuente (I=VRp/Rp), anote los datos obtenidos en la siguiente tabla y calcule el valor
experimental de la resistencia de entrada en la entrada inversora.
VDC
VRp
I=VRp/Rp
5
Riin=VDC/I
9.-Monte el circuito de la Figura 5 para medir la resistencia de entrada en la entrada no inversora del
amplificador diferencial cuando la entrada inversora está conectada a tierra. Mida previamente el
valor real de Rp con el multímetro.
Figura 5.- Medición de la resistencia de entrada de la entrada no inversora del amplificador diferencial
10.-Realice las mediciones del voltaje de la fuente de entrada VDC y de la corriente que circula por
dicha fuente (I=VRp/Rp), anote los datos obtenidos en la siguiente tabla y calcule el valor
experimental de la resistencia de entrada en la entrada no inversora.
VoDC
VRp
I=VRp/Rp
Rino-in=VDC/I
11.- La resistencia de salida se determina haciendo primero una medición del voltaje de salida de
amplificador diferencial sin carga (Vo1), luego otra medición del voltaje de salida (Vo2) con una
carga conocida medida inicialmente (por ejemplo 500Ω) y calculando el valor de la resistencia Ro
resultante cuando se aplican dichos valores al circuito básico presentado en la Figura 6.
Inicialmente se ajusta el voltaje de una de las entradas colocando la otra a tierra, para que el voltaje
de salida sea el orden de 1 o 2V. Luego se conecta la resistencia de carga, y se mide
cuidadosamente el nuevo voltaje de salida. Puede seleccionarse una resistencia menor de 500Ω si
no es posible apreciar adecuadamente la diferencia entre Vo1 y Vo2, teniendo presente que la
corriente máxima que puede suministrar el operacional 741 es de unos 20 mA. Anote los
resultados en la siguiente tabla y calcule el valor experimental de la resistencia de salida del
amplificador diferencial.
Figura 6.- Circuito para calcular la resistencia de salida del amplificador diferencial
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Vo1
Rcargamedida
Vo2
Ro
12.- Monte el circuito de la figura 2 y compruebe primero la operación de los seguidores de voltaje
por separado y luego la operación de todo el circuito, aplicando señales DC a ambas entradas de
los seguidores de voltaje y comprobando que la salida presenta el voltaje esperado.
13.- Monte el Puente de Wheatstone de la figura 3(a) utilizando tres resistencias de 10 kΩ, medidas
previamente con el multímetro digital. Coloque una década de resistencias como resistencia
variable de ajuste y el voltímetro del multímetro digital como detector de cero, ubicándolo en la
escala de mayor sensibilidad. Equilibre el Puente y registre el valor indicado por la década, Rd.
Componente
R1
R2
R3 = Rx
Val. nominal y tolerancia
Valor real (multímetro)
Rd
R1/R2
Rx=R1 Rd/R2
14.- Con esta configuración se está utilizando el Puente como instrumento de medición para
determinar experimentalmente el valor de R3, en función de R1, R2 y la década. Calcule ese valor
experimental utilizando los valores medidos para R1 y R2, y determine el error porcentual con
respecto al valor de R3 determinado con el multímetro.
Valor de R3 determinado
Valor de R3 medido con el
con el multímetro
Puente de Wheatstone
Error porcentual
15.-Para el circuito de la figura 3(b), considere ahora que la década es la resistencia Rx, cuyo valor
va a sufrir variaciones (Rx +ΔR). Inicialmente el Puente está en equilibrio. Realice dos mediciones
aumentando la resistencia de la década en cantidades significativamente menores que 10 kΩ (0,4
kΩ y 0,8 kΩ por ejemplo) y otras dos mediciones disminuyendo la resistencia de la década en un
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rango similar. Mida cuidadosamente el voltaje E0 y el voltaje de la fuente V, registre los valores
en la siguiente tabla para cada una de las mediciones, determine el valor de ΔR utilizando la
expresión que relaciona ΔR con el voltaje de salida del medidor de instrumentación Vo, esto es
ΔR=KVo, donde K= (Ad E0/V). Calcule el error porcentual entre este resultado experimental y el
valor teórico de la variación de resistencia que se aplicó a la década para cada uno de los casos.
Recuerde que el terminal positivo de E0 está en la rama donde se encuentra conectada la década de
resistencias.
ΔR
V
E0
Vo (amp. instrum.)
Δ R= K(Vo)
% Error
19.- Al finalizar la práctica, muéstrele a su profesor todas las anotaciones de las medidas realizadas.
20.- Ordene el mesón antes de retirarse del aula, incluyendo las sillas.
21.- Recuerde anotar la hora de salida en la carpeta de asistencia.
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Informe
I.-La primera parte del informe está constituida por la preparación de la práctica.
II.-En los Resultados incluya los datos obtenidos en el laboratorio.
III.-En el Análisis de Resultados y Conclusiones:
a) Compare las mediciones del voltaje de “offset” y la Relación de Rechazo en Modo
Común realizadas al amplificador diferencial con los datos de la hoja de
especificaciones y anote sus conclusiones.
b) Comente sobre los resultados obtenidos al medir las impedancias de entrada del
amplificador diferencial, comparándolos primero con los valores nominales de las
resistencias utilizadas, y luego con los valores medidos de dichas resistencias al
comenzar la práctica.
c) Compare la medición de la impedancia de salida del amplificador diferencial con los
valores de la hoja de especificaciones y anote sus conclusiones.
d) Justifique el error porcentual obtenido entre el valor de R3 medido con el multímetro
y el valor experimental de dicha resistencia determinado con el Puente de
Wheatstone equilibrado.
e) Justifique el error porcentual obtenido entre el valor de ΔR medido con el arreglo del
puente de Wheatstone y el amplificador de instrumentación y el calculado
teóricamente.
f) Escriba sus conclusiones finales sobre la práctica realizada, los procedimientos de
medición utilizados y los resultados obtenidos. Haga un breve comentario sobre la
aplicabilidad de dichos procedimientos de medición.
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